CN114395466A - 一种体外瘤胃仿生系统 - Google Patents
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Abstract
一种体外瘤胃仿生系统，包括：纤维素类生物质预处理单元，对纤维素类生物质进行预处理得到基质；产酸发酵单元，与所述纤维素类生物质预处理单元连接，接种富含瘤胃功能菌的接种物，模拟反刍动物瘤胃厌氧发酵产酸环境，将所述基质酸化得到混合液，并固液分离；酸吸收单元，与所述产酸发酵单元连接，将固液分离得到的酸化液中短链脂肪酸吸收转化。本发明专利的优点主要体现在：①能够较好的模拟瘤胃功能菌体内理化环境，能够实现瘤胃功能菌的有效持留，实现体外仿生系统的长期高效稳定运行。②该系统构建方法简单，纤维素类生物质能源化实现途径温和高效，运行维护成本低。
Description
技术领域
本发明属于纤维素类生物质资源化技术领域，特别涉及一种体外瘤胃仿生系统。
背景技术
在自然界中，反刍动物的瘤胃是一种自然形成且高度集成化的天然生物反应系统，能够对纤维素类生物质进行高效水解。其中，瘤胃微生物菌群及其分泌的纤维素类生物质降解酶，如：木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶、木聚糖酶、羧甲基纤维素酶、木糖醇酶、木聚糖酯酶、β-葡萄糖苷酶、内切- β-1,4-葡聚糖酶和纤维二糖水解酶等。在反刍动物瘤胃中，能将自然界中难降解纤维素类生物质在温和条件下快速转化为挥发性短链脂肪酸(VFA),然后被瘤胃壁吸收转化生成ATP，为反刍动物提供所需能量来源。
随着全球农牧业发展，大量的纤维素类生物质(如玉米秸秆、小麦秸秆、稻杆、食草动物粪便等)造成了严重的环境污染问题。作为年产量来源广泛的有机废弃物，如何将其进行高效降解进而转化生成能源物质或化学中间体，是其解决污染问题的同时缓解能源危机的重要途径。从环境污染治理的角度出发，实现纤维素类生物质的快速水解是其生物能源化的瓶颈步骤。如何模拟反刍动物瘤胃构建体外瘤胃仿生系统，有望为纤维素类生物质的降解转化及其利用开辟新的途径。但鉴于反刍动物瘤胃系统的复杂性，目前尚未构建简单易行且能稳定高效运行的体外瘤胃仿生系统。
发明内容
鉴于目前体外瘤胃仿生系统复杂且难以长期高效稳定运行的问题，本发明提出一种体外瘤胃仿生系统，通过动态膜生物反应器和瘤胃功能微生物、产甲烷颗粒污泥分别进行耦合形成产酸发酵单元和酸吸收单元，分别模拟瘤胃发酵过程和瘤胃壁酸吸收功能，有效截留瘤胃功能微生物及其分泌的胞外纤维素类生物质降解酶，实现体外瘤胃仿生系统的长期高效稳定运行，同时兼具投资运行低廉和简单易行的优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种体外瘤胃仿生系统，其特征在于，包括：
纤维素类生物质预处理单元，对纤维素类生物质进行预处理得到基质；
产酸发酵单元，与所述纤维素类生物质预处理单元连接，接种富含瘤胃功能菌的接种物，模拟反刍动物瘤胃厌氧发酵产酸环境，将所述基质酸化得到混合液，并固液分离；
酸吸收单元，与所述产酸发酵单元连接，将固液分离得到的酸化液中短链脂肪酸吸收转化。
在一个实施例中，所述纤维素类生物质预处理单元包括基质罐，纤维素类生物质经预处理后储于基质罐，所述预处理包括纤维素类生物质的粉碎以及与有机固体废弃物的混合。
在一个实施例中，所述纤维素类生物质与有机固体废弃物的混合比例通过批次试验优化确定，以最大程度的水解速率为优化目标。
在一个实施例中，所述有机固体废弃物包括牛粪。
在一个实施例中，所述富含瘤胃功能菌的接种物为瘤胃液或牛粪。
在一个实施例中，所述产酸发酵单元的基质采用连续流或间歇的方式泵入。
在一个实施例中，所述产酸发酵单元包括产酸发酵罐和动态膜组件，所述产酸发酵罐接种富含瘤胃功能菌的接种物并模拟反刍动物瘤胃厌氧发酵产酸环境，所述混合液经动态膜组件进行固液分离；所述动态膜组件置于产酸发酵罐内部或外部，依据跨膜压差、通量、出料浊度调控生物曝气量、生物气反冲洗频率；所述动态膜组件采用外置式时，增设循环泵将厌氧酸化混合液泵入动态膜组件进行固液分离，动态膜滤液泵入酸吸收单元，其余部分循环至产酸发酵罐。
在一个实施例中，所述酸吸收单元采用膜法进行短链脂肪酸的吸收转化。
在一个实施例中，所述酸吸收单元为接种产甲烷颗粒污泥的内置式动态膜生物反应器，实现短链脂肪酸的吸收、能源转化和固液气分离。
在一个实施例中，所述酸吸收单元将短链脂肪酸吸收转化后，部分回流至产酸发酵罐中稀释缓解酸积累，同时将提取的沼液粗酶回用于纤维素类生物质预处理单元或产酸发酵单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、能够较好的模拟瘤胃功能菌体内理化环境，能够实现瘤胃功能菌的有效持留，实现体外瘤胃仿生系统的长期高效稳定运行。
2、系统构建方法简单，纤维素类生物质能源化实现途径温和高效，运行维护成本低。
附图说明
图1是本发明系统原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明为一种体外瘤胃仿生系统，包括纤维素类生物质预处理单元1、产酸发酵单元2和酸吸收单元3。
纤维素类生物质预处理单元1主要用于对纤维素类生物质进行预处理以得到基质。本发明中，纤维素生物质主要包括小麦秸秆、玉米秸秆、稻杆等，将其经粉碎机或破碎机进行机械预处理，并可进一步与其它有机固体废弃物经搅拌器混合得到混合基质。本发明有机固体废弃物可选如餐厨垃圾、剩余污泥、畜禽粪便等。纤维素类生物质与有机固体废弃物的混合比例通过批次常规试验优化确定，以最大程度的水解速率为优化目标。示例地，纤维素类生物质预处理单元1可包括基质罐4，经预处理后得到的基质或混合基质可存储于基质罐4 备用。
产酸发酵单元2主要用于将纤维素类生物质预处理单元1提供的基质酸化得到混合液，并固液分离。基质可采用连续流或间歇的方式泵入。产酸发酵单元2主要包括产酸发酵罐5和动态膜组件6。产酸发酵罐5接种瘤胃液或牛粪等富含瘤胃功能菌的接种物并模拟反刍动物瘤胃厌氧发酵产酸环境，基质泵入产酸发酵罐5，维持其中瘤胃功能菌的活性及其对难降解纤维素类生物质的降解功效。示例地，产酸发酵罐5内的温度维持在39℃，pH不低于5.0。产酸发酵罐 5中酸化得到的混合液，经动态膜组件6进行固液分离。示例地，动态膜组件6 可置于产酸发酵罐5内部，也可置于其外部，依据跨膜压差、通量、出料浊度调控生物曝气量、生物气反冲洗频率。其中，动态膜组件6采用外置式时，需增设循环泵将厌氧酸化混合液泵入动态膜组件6进行固液分离，动态膜滤液泵入酸吸收单元3，其余部分(较高污泥浓度的混合液)循环至产酸发酵罐5。
酸吸收单元3主要用于将固液分离得到的酸化液中短链脂肪酸吸收转化。本发明中，可采用膜法吸收转化短链脂肪酸，如纳滤、反渗透、渗透蒸发、膜接触和膜蒸馏的方式进行VFA的提取分离和浓缩。示例地，可直接采用接种产甲烷颗粒污泥的内置式动态膜生物反应器7，实现短链脂肪酸的吸收、能源转化和固液气分离，将VFA转换成易于分离的甲烷。并且，在吸收转化后，可部分回流至产酸发酵罐5中稀释缓解酸积累，最大限度地避免酸中毒对瘤胃功能菌的抑制作用，提高瘤胃功能菌对纤维素类生物质的降解效能，回流量以维持pH 不低于5.5为宜。
在本发明中，可直接将纤维素类生物质与牛粪在纤维素类生物质预处理单元1进行混合作为混合基质，也可直接投加适量牛粪作为生物添加剂于产酸发酵罐5中，持续补充产酸发酵单元2中瘤胃功能菌和碱度平衡，强化提高体外瘤胃仿生系统对纤维素类生物质的水解酸化效果。
在本发明中，酸吸收单元3提取的沼液粗酶可投加至纤维素类生物质预处理单元1进行酶水解强化，亦可直接投加至产酸发酵罐5中，增强发酵系统中纤维素类生物质降解酶活性。其中，沼液粗酶提取方法采用常规酶提取方法进行，酶种类主要包括纤维素类生物质降解酶，如：羧甲基纤维素酶、内切-β-1,4- 葡聚糖酶和木聚糖酯酶。
本发明的原理说明如下：
本发明通过模拟反刍动物的瘤胃理化环境降解处理纤维素类生物质。纤维素类生物质(如玉米秸秆、小麦秸秆、稻杆、食草动物粪便等)经过纤维素类生物质预处理单元的预处理后由产酸单元的瘤胃功能菌降解转化为挥发性短链脂肪酸(VFA)，模拟反刍动物的瘤胃消化过程；挥发性短链脂肪酸(VFA) 由酸吸收单元处理，可由产甲烷颗粒污泥吸收并转化为甲烷，模拟反刍动物的瘤胃壁吸收过程。通过上述流程完成纤维素类生物质的降解与能源化。
Claims (10)
1.一种体外瘤胃仿生系统，其特征在于，包括：
纤维素类生物质预处理单元(1)，对纤维素类生物质进行预处理得到基质；
产酸发酵单元(2)，与所述纤维素类生物质预处理单元(1)连接，接种富含瘤胃功能菌的接种物，模拟反刍动物瘤胃厌氧发酵产酸环境，将所述基质酸化得到混合液，并固液分离；
酸吸收单元(3)，与所述产酸发酵单元(2)连接，将固液分离得到的酸化液中短链脂肪酸吸收转化。
2.根据权利要求1所述体外瘤胃仿生系统，其特征在于，所述纤维素类生物质预处理单元(1)包括基质罐(4)，纤维素类生物质经预处理后储于基质罐(4)，所述预处理包括纤维素类生物质的粉碎以及与有机固体废弃物的混合。
3.根据权利要求2所述体外瘤胃仿生系统，其特征在于，所述纤维素类生物质与有机固体废弃物的混合比例通过批次试验优化确定，以最大程度的水解速率为优化目标。
4.根据权利要求2或3所述体外瘤胃仿生系统，其特征在于，所述有机固体废弃物包括牛粪。
5.根据权利要求1所述体外瘤胃仿生系统，其特征在于，所述富含瘤胃功能菌的接种物为瘤胃液或牛粪。
6.根据权利要求1所述体外瘤胃仿生系统，其特征在于，所述产酸发酵单元(2)的基质采用连续流或间歇的方式泵入。
7.根据权利要求1所述体外瘤胃仿生系统，其特征在于，所述产酸发酵单元(2)包括产酸发酵罐(5)和动态膜组件(6)，所述产酸发酵罐(5)接种富含瘤胃功能菌的接种物并模拟反刍动物瘤胃厌氧发酵产酸环境，所述混合液经动态膜组件(6)进行固液分离；所述动态膜组件(6)置于产酸发酵罐(5)内部或外部，依据跨膜压差、通量、出料浊度调控生物曝气量、生物气反冲洗频率；所述动态膜组件(6)采用外置式时，增设循环泵将厌氧酸化混合液泵入动态膜组件(6)进行固液分离，动态膜滤液泵入酸吸收单元(3)，其余部分循环至产酸发酵罐(5)。
8.根据权利要求1所述体外瘤胃仿生系统，其特征在于，所述酸吸收单元(3)采用膜法进行短链脂肪酸的吸收转化。
9.根据权利要求1所述体外瘤胃仿生系统，其特征在于，所述酸吸收单元(3)为接种产甲烷颗粒污泥的内置式动态膜生物反应器(7)，实现短链脂肪酸的吸收、能源转化和固液气分离。
10.根据权利要求1或9所述体外瘤胃仿生系统，其特征在于，所述酸吸收单元(3)将短链脂肪酸吸收转化后，部分回流至产酸发酵罐(5)中稀释缓解酸积累，同时将提取的沼液粗酶回用于纤维素类生物质预处理单元(1)或产酸发酵单元(2)。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117736840A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-22 | 湖南碧臣环境能源有限公司 | 一种瘤胃网胃体外发酵反应器及控制方法 |
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- 2022-01-18 CN CN202210056499.2A patent/CN114395466A/zh active Pending
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